rCore/docs/2_OSLab/g2/context.md

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平台无关的代码位于 kernel/src/process/context.rs 中，而平台相关(aarch64)的代码位于 kernel/src/arch/aarch64/interrupt/context.rs 中。

相关数据结构

在 kernel/src/arch/aarch64/interrupt/context.rs 中定义了下列数据结构：

1. TrapFrame:

   pub struct TrapFrame {
       pub elr: usize,
       pub spsr: usize,
       pub sp: usize,
       pub tpidr: usize, // currently unused
       // pub q0to31: [u128; 32], // disable SIMD/FP registers
       pub x1to29: [usize; 29],
       pub __reserved: usize,
       pub x30: usize, // lr
       pub x0: usize,
   }
   

   在陷入异常时向栈中压入的内容，由 trap.S 的 __alltraps 构建。详见“中断与异常”相关章节。

2. ContextData:

   struct ContextData {
       x19to29: [usize; 11],
       lr: usize,
   }
   

   执行上下文切换时向栈中压入的内容，由 __switch() 函数构建。仅需保存 callee-saved 寄存器(被调用者保存，即 x19~x30)。详见下节“切换流程”。

3. InitStack:

   pub struct InitStack {
       context: ContextData,
       tf: TrapFrame,
   }
   

   对于新创建的线程，不仅要向栈中压入 ContextData 结构，还需手动构造 TrapFrame 结构。为了方便管理就定义了 InitStack 包含这两个结构体。

4. Context:

   pub struct Context {
       stack_top: usize,
       ttbr: PhysFrame,
       asid: Asid,
   }
   

   每个进程控制块 Process (kernel/src/process/context.rs) 都会维护一个平台相关的 Context 对象，在 AArch64 中包含下列信息：

   1. stack_top：内核栈顶地址；
   2. ttbr：页表基址；
   3. asid：Address Space ID，详见下文“页表切换与 ASID 机制”。

切换流程

在 kernel/src/process/context.rs 里，switch_to() 是平台无关的切换函数，最终会调用 kernel/src/arch/aarch64/interrupt/context.rs 里平台相关的切换函数 Context::switch()：

pub unsafe fn switch(&mut self, target: &mut Self) {
    target.asid = ASID_ALLOCATOR.lock().alloc(target.asid);

    // with ASID we needn't flush TLB frequently
    ttbr_el1_write_asid(1, target.asid.value, target.ttbr);
    barrier::dsb(barrier::ISH);
    Self::__switch(&mut self.stack_top, &mut target.stack_top);
}

页表切换与 ASID 机制

首先进行的是页表的切换，即向 TTBR1_EL1 寄存器写入目标线程页表基址 target.ttbr。一般来说，切换页表后需要刷新 TLB，不过 ARMv8 引入了 ASID (Address Space ID) 机制来避免频繁刷新 TLB。

ASID 机制

在页表项描述符中，有一个 nG 位，如果该位为 0，表示这页内存是全局可访问的(用于内核空间)；如果该位为 1，表示这页内存不是全局可访问的，只有特定线程可访问。具体地，如果页表项中该位为 1，当访问相应虚拟地址更新 TLB 时，会有额外的信息被写入 TLB，该信息即 ASID，由操作系统分配，下次在 TLB 中查找该虚拟地址时就会检查 TLB 表项中的 ASID 是否与当前 ASID 匹配。相当于为不同的 ASID 各自创建了一个页表。

ASID 的大小可以为 8 位或 16 位，由 TCR_EL1 的 AS 字段指定，当前的 ASID 保存在 TTBR 的高位中，也可以由 TCR_EL1 的 A1 字段指定是 TTBR0_EL1 还是 TTBR1_EL1。在 RustOS 中，ASID 大小为 16 位，当前 ASID 保存在 TTBR1_EL1 的高 16 位。

在 switch() 函数里，首先会为目标线程分配一个 ASID，然后同时将该 ASID 与 target.ttbr 写入 TTBR1_EL1 即可，无需进行 TLB 刷新。

ASID 的分配

ASID 的分配需要保证同一时刻不同线程的 ASID 是不同的。这一部分参考了 Linux，主要思想是每次上下文切换时检查该线程原来的 ASID 是否有效，如果无效需要重新分配并刷新 TLB。

使用的数据结构如下：

struct Asid {
    value: u16,
    generation: u16,
}

struct AsidAllocator(Asid);

一个 ASID 结构由 16 位的 value 和 generation 组成，value 即 ASID 的具体值，generation 相当于时间戳。初始的 ASID 两个值都是 0，一定是无效的。该结构也被用于实现 ASID 分配器 AsidAllocator，此时该结构表示上一个被分配出去的 ASID。

const ASID_MASK: u16 = 0xffff;

impl AsidAllocator {
    fn new() -> Self {
        AsidAllocator(Asid { value: 0, generation: 1 })
    }

    fn alloc(&mut self, old_asid: Asid) -> Asid {
        if self.0.generation == old_asid.generation {
            return old_asid;
        }

        if self.0.value == ASID_MASK {
            self.0.value = 0;
            self.0.generation = self.0.generation.wrapping_add(1);
            if self.0.generation == 0 {
                self.0.generation += 1;
            }
            tlb_invalidate_all();
        }
        self.0.value += 1;
        return self.0;
    }
}

分配的流程如下：

1. 判断 old_asid 是否等于 self.0.generation，如果相等说明这一代的 ASID 还是有效的，直接返回 old_asid；
2. 否则，old_asid 已失效，如果当前代的 65535 个 ASID 没有分配完，就直接分配下一个；
3. 如果当前代的 65535 个 ASID 都分配完了，就开始新的一代，同时刷新 TLB。

寄存器与栈的切换

这一部分即 Context 的 __switch() 函数，传入的两个参数 _self_stack 与 _target_stack 是两个引用，分别用于保存当前线程内核栈顶与目标线程内核栈顶。

该函数用汇编实现(两个参数分别保存在 x0 和 x1 寄存器中)：

mov x10, #-(12 * 8)
add x8, sp, x10
str x8, [x0]
stp x19, x20, [x8], #16     // store callee-saved registers
stp x21, x22, [x8], #16
stp x23, x24, [x8], #16
stp x25, x26, [x8], #16
stp x27, x28, [x8], #16
stp x29, lr, [x8], #16

ldr x8, [x1]
ldp x19, x20, [x8], #16     // restore callee-saved registers
ldp x21, x22, [x8], #16
ldp x23, x24, [x8], #16
ldp x25, x26, [x8], #16
ldp x27, x28, [x8], #16
ldp x29, lr, [x8], #16
mov sp, x8

str xzr, [x1]
ret

流程如下：

1. 保存当前栈顶 sp 到 _self_stack (x0)，保存 callee-saved 寄存器到当前栈上；
2. 从 _target_stack (x1) 获取目标线程的内核栈顶，从目标线程内核栈顶恢复 callee-saved 寄存器；
3. 将 sp 设为目标线程内核栈顶，将 _target_stack (x1) 里的内容清空；
4. 使用 ret 指令返回，这会跳转到目标线程 lr 寄存器中存放的地址。

为什么只保存了 sp 与 callee-saved 寄存器，而不是所有寄存器？因为执行上下文切换就是在调用一个函数，在调用前后编译器会自动保存并恢复 caller-saved 寄存器(调用者保存，即 x0~x18)。

异常级别切换

异常发生前的异常级别保存在 TrapFrame 中 spsr 的相应位，在异常返回后会恢复给 PSTATE，实现异常级别切换。通过构造特定的 spsr 可让新线程运行在指定的异常级别。

创建新线程

线程可通过下列三种方式创建：

1. 创建新的内核线程：直接给出一个内核函数；
2. 创建新的用户线程：解析 ELF 文件；
3. 从一个线程 fork 出一个新线程：通过 fork 系统调用。

三种线程的平台无关创建流程实现在 kernel/src/process/context.rs 里，最终会分别调用 kernel/src/arch/aarch64/interrupt/context.rs 里的 new_kernel_thread()、new_user_thread() 和 new_fork() 这三个函数创建平台相关的 Context 结构。

在这三个函数里，会构造 ContextData 与 TrapFrame 结构，构成一个 InitStack，并向新线程的内核栈压入 InitStack 结构，最后将新内核栈顶地址、页表基址等信息构成 Context 结构返回。这两个结构的构造方式如下：

• ContextData:

  三种线程的初始 ContextData 结构都一样：清空 x19~x29 寄存器，将 lr 寄存器设为 __trapret，表示在 __switch() 结束后立即返回 __trapret，避免破坏构建好的栈帧结构。

• TrapFrame:

  三种线程的 TrapFrame 各不相同：

  1. 内核线程：

     TrapFrame 中的字段	值
     x0	内核线程参数 arg
     sp	内核栈顶地址 kstack_top
     elr	内核线程入口函数 entry 的地址
     spsr	0b1101_00_0101，切换到 EL1，启用 IRQ
     其他	清零

  2. 用户线程：

     TrapFrame 中的字段	值
     sp	用户栈顶地址 ustack_top
     elr	用户线程入口地址 entry_addr
     spsr	0b1101_00_0000，切换到 EL0，启用 IRQ
     其他	清零

     注意用户线程是根据 ELF 文件创建的，参数即命令行参数，通过栈而不是寄存器传递。

  3. fork 线程：直接复制父线程的 TrapFrame，并将 fork 的返回值 x0 设为 0。